Тлеющий разряд

Размещено на http://www.allbest.ru

Тлеющий разряд. Основные свойства тлеющего разряда. Распределение свечения, потенциала Е объемного заряда в тлеющем разряде. Положительный столб разряда. Время зажигания разряда и восстановления электрической прочности прибора. Диффузионный механизм горения тлеющего разряда.

Рисунок 1

0S - тёмный;

SA - переход от тёмного к тлеющему;

AB - нормальный тлеющий;

BC - аномальный тлеющий;

CD - переход к дуговому;

DE - дуговый.

Основные свойства нормального тлеющего разряда:

Ua ? const;

jk ? const,

при Р = const (участок AB отражает участок катода , т.е. эмитирующей площади катода - катодного пятна, следовательно, растёт

Ik = j Д Sk,

следовательно, растёт Д Sk);

- высокая яркость и заметная протяжённость слоя свечения.

Рисунок 2

Основные части разряда:

I - катодная (0… dk);

II - столб разряда (l + dL + dф);

III - анодная (dа);

Важнейшая часть - катодная, разряд может существовать без II, III ( если dаk и мало для других частей просто нет места).

Страница пояснений: Тлеющий разряд.

- токи

Практически не влияют на распределение U между К и А. U равномерно растет от К к А (прямая 1)

Рисунок 3

для данного P.

разряд диффузионный горение

Рисунок 4

Спад U c ростом I обусловлен небольшим нарастанием положительного объемного заряда, с компенсирующего (начиная с анода) отрицательный объемный заряд e- (кривые 1,2,2`)

AA` - несамостоятельный разряд (переход к темному)

A`B - переход к самост. разряду (переход к темному

ВС - самост. разряд (темный)

Переход к тлеющему

Если ток не ограничен большим Rн , ток нарастает и начинается переход к тлеющему (точка С на ВАХ^). При этом распределения U изменяется так, что зона нарастания U уменьшаеться к катоду, а зона перед анодом увеличивается ? пост. U (компенсация объемного заряда). При этом в прикатодной зоне растет Е следовательно, ^б и ^г, cледовательно, растет I. (кривая 3, 3`).

Конечная стадия перехода к тлеющ разряду - область Е сосредоточена вблизи катода, где возн. обл интенсивной электронно-ионной эмиссии и выполняется условие (кривая 4.)

При этом интенсивность разряда приводит к заметному свечению в области катола.

Изменение U (см. Рис. 7.5.2).

I. Катодная - обеспечивает достаточное для ускорения е-, выходящих из К до энергий > Wвозб., Wi, а также для ускорения +i, бомбардирущих катод и обеспечивающих необходимый уровень электронно-ионной эмиссии (т.е. коэффициент г).

В слое 1 (первый катодный тёмный слой) свечения нет (почти). Электроны ещё не успели набрать W ?Wвозб., следовательно, нет возбуждённых атомов, нет и их нормализации (т.е. перехода с возбуждённого уровня на нормальный с излучением кванта энергии).

В слое 2 W >Wвозб. (первое катодное свечение). Возбуждённые атомы излучают при возврате на нормальный уровень.

В слое 3 (второй катодный тёмный слой), W >>Wвозб. (максимум вероятности возбуждения пройден, вероятность возбуждения снизилась, концентрация возбуждения атомов снизилась, следовательно, свечение снизилось). В конце слоя 3 начинается ионизация Wе ? Wi.

II. Столб разряда.

Слой 4 (второе катодное свечение). Резкое нарастание ионизации, плотности ионов и вторичных электронов, которые вместе с первичными, ускоряясь достигают энергии W ?Wвозб., следовательно, релаксация возбуждённых атомов, следовательно, интенсивность свечения. К этому добавляется рекомбинационное излучение (соединение е- с ионами в нейтральный атом) характеризующееся сплошным спектром.

Перемещаясь к аноду в слое 4, электроны постепенно растрачивают приобретённую в области I энергию на возбуждение атомов. Интенсивность свечения падает с уменьшением количества возбуждённых атомов.

Излучаемые фотоны попадают на катод и при достаточной энергии вызывают фотоэмиссию.

Левая граница слоя 4 резкая. Это связано с быстрым повышением вероятности процессов возбуждения с ростом Wе-.

Правая граница слоя 4 размыта из-за случайного характера движения и величины остаточных энергий е- после столкновений.

Благодаря высокой подвижности е- быстрее покидают область ионизации (коней слоя 3, начало слоя 4) приводит к росту положительного заряда в этой зоне. Это скопление ионов способствует поддержанию ускорения поля в области I. Часть ионов движется к катоду и, попадая на него, выбивает электроны, меньшая часть диффундирует благодаря градиенту концентрации (и поля) к аноду.

Слой 5 (фарадеево тёмное пространство).

Сюда попадают диффундирующие ионы (под действием ) и потерявшие в слое 4 энергию электроны.

Процесс диффузии приводит к некоторому разделению зарядов.

За счёт спадания концентрации ионов и роста концентрации электронов наблюдаем min U (плавный), в большей части слоя напряжённость поля недостаточна для новых атомов возбуждения и ионизации.

Однако небольшой min U создаваемый поток заряженных электронов, по мере продвижения к аноду способствует созданию ускоряющего поля, что позволяет снова ускорить и поднять их W ?Wвозб., Wi.

Слой 6 (столб разряда). Напряжённость поля Е достаточна возбуждения и ионизации атомов. je ? const >> ji ? const. За счёт малой подвижности ионы выполняют функцию компенсации объёмного заряда быстро перемещающихся электронов. В целом за счёт соударений дрейфовая составляющая скорости электронов (и ионов) << диффузионной. Степень ионизации высока, концентрации положительных ионов и е- примерно равны, беспорядочное движение преобладает над направленным ? ПЛАЗМА.

Страница пояснений: Плотность тока:

Рисунок 4

Плазма газового разряда имеет высокую электропроводность. Поэтомув этой области невелик, и автоматически устанавливается таким, чтобы генерация новых зарядов компенсировала рекомбинацию в объёме и уход зарядов на электроды и стенки прибора. Основной механизм диффузионный - беспорядочное (в основном) перпендикулярно направленное (слабо).

Слой 7,8. Около анода однородность столба разряда нарушается. Со стороны анода нет потока ионов (так как это имеет место за счёт ионизации в новой области столба) и эта область обеднена ионами. Возникает избыточный отрицательный заряд электронов, вызывающее анодное падение ДUа. Облако потока заряженных электронов вначале замедляет поток е-, уменьшая его энергию (Е тормозит е-), а затем (после прохождения этого облака) ускоряет электроны непосредственно перед анодом, где вновь энергия е- достигает Wвозб.. Соответственно слой 7 - тёмное пространство (низкие W <Wвозб.), слой 8 - прианодная плёнка свечения.

Высокая яркость и протяженность области тлеющего разряда является важным практическим свойством приборов тлеющего разряда, т.к. это позволяет визуально наблюдать за состоянием прибора, следовательно, измерять его характеристики.

Время зажигания разряда

Рисунок 5

Этапы развития разряда:

t3 - время запаздывания (от приложения напряжения до появления первой лавины);

tф - время формирования (нарастание Ia до I ограниченного внешней цепью).

t3 - случайная величина, зависящая от ряда факторов (интенсивность внешнего излучения, фотоэмиссии, условий ионизации и т.д.).

(7.5.1)

где щ - вероятность появления первой лавины при наличии одного электрона;

n0 - концентрация электронов в промежутке К - А.

Страница пояснений:

Диффузионный механизм горения тлеющего разряда

В область столба попадают электроны, растратившие свою энергию в прикатодном пространстве. Но установившаяся положительная напряжённость поля достаточна для возбуждения и ионизации атомов в области столба. Электроны при столкновении теряют большую часть продольной составляющей скорости, их движение становится практически хаотическим, большая часть идёт на стенки прибора, заряжая их отрицательно и, тем самым, создавая электрическое поле, притягивающее ионы. Возникает общий заряд столба и - заряд на стенках, величина которого определяется установившимся потоком электронов на стенки за счёт их высокой подвижности и потоком ионов за счёт поля - заряда электронов. Количество ионов достаточно для компенсации заряда электронов. Диффузия зарядов на стенки и на электроды постоянно восполняется электронами с катода и зарядами (+ и -), появляется в результате ионизации.

щ - зависимость от

- относительная разница между

приложенным U и U3 - минимально необходимым напряжением зажигания.

Рисунок 7

Вероятность повышения электрической лавины увеличивается при повышении Uа, согласно графику рис.7.5.4, т.е. стремится к 1.

В то же время t3 может быть очень большим, при дU3 стремится к 0 и щ стремится к 0, т.е. U стремится к U3.

Для понижения t3 необходимо: повысить n0 (внешний концентратор).

Рисунок 8

Время формирования разряда tф также зависит от дU3. tф - время развития разряда от Ia?0 до I=Iнагр., при этом почти всё Uа приложено к прикатодной области (0… dk).

Энергии вместе с первичными, ускоряясь достигают лась, концентрация возбуждения атомов снизилась, следовательно, свечение сниз

где ф1 - среднее время прохождения i+ от К до А;

Ia/ I0 - отношение анодного тока к начальному значению тока в конце формирования первой лавины.

нергии вместе с первичными, ускоряясь достигают лась, концентрация возбуждения атомов снизилась, следовательно, свечение сниз

- некоторая функция.

Восстановление электрической прочности разрядного промежутка

Время восстановления электрической прочности прибора И - один из основных параметров. Ход изменения U3 при включении разряда - см. Рис. 7.5.6.

Рисунок 9

Вначале при выключении разряда (Uа= Онапр.), U3= U30 - в промежутке остаётся достаточно е- и i+ для включения разряда при приложении U= U30= Uгорения разряда. Концентрация е- и i+ начинает убывать через время t ? И0, с которого фактически начинается восстановление электрической прочности. Этап восстановления заканчивается, когда кривая U3 = f(t) выходит на горизонтальный участок. Этот момент и характеризуется И = времени восстановления. И зависит от: рода газа, размера dak и других размеров; Uостаточное на электродах, nе и ni после гашения разряда, давления Р внутри прибора.

Страница пояснений:

Зависимость И от рода газа (эксперимент):

Ar: И ~ 150 мкс.

Ne: И ~ 400 мкс.

He: И ~ 500 мкс.

Понижается у } сравнительные значения.

у - эффективное сечение рассеяния.

Зависимость И от Р:

Рисунок 9

Зависимость И от dak:

Рисунок 10

увеличение dak приводит к увеличению пути е- и i к электродам и к увеличению U3.

Энергии вместе с первичными, ускоряясь достигают лась, концентрация возбуждения атомов снизилась, следовательно, свечение сниз

Uостаточное на электродах (любого знака) ускоряет процесс деионизации т.к. поле в промежутке способствует движению зарядов на электроды и их рекомбинацию.

Размещено на Allbest.ru